2015, Vol. 51
文章信息
- 马阿娟, 陈忠加, 俞国胜, 袁湘月, 杜珂
- Ma Ajuan, Chen Zhongjia, Yu Guosheng, Yuan Xiangyue, Du Ke
- 履带自行式沙地灌木林平茬机的研制及应用
- Development and Application of Crawler Self-Propelled Desert Shrub Stumper
- 林业科学, 2015, 51(7): 99-106
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(7): 99-106.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150711
-
文章历史
- 收稿日期：2015-02-24
- 修回日期：2015-06-04
-
作者相关文章
2. 北京起重运输机械设计研究院 北京 100007
2. Beijing Materials Handling Research Institute Beijing 100007
平茬是灌木林复壮必须进行的抚育措施。我国现有灌木林 5 365万km2,其中49.73%为治理荒漠化的防护林,分布于西藏(15.93％)、内蒙古(13.10％)、新疆(8.59％)、甘肃(6.40％)和青海(6.07％)等地(国家林业局森林资源管理司,2010)。长期以来,我国的灌木林平茬作业主要采用镰刀、斧头、镢头、坎土曼等手工工具和肩挂式割灌机进行,作业效率低,劳动强度大,相当一部分灌木林由于得不到平茬抚育而生长衰退(范利海等,2010),病虫害问题频繁发生,严重制约了各项防沙治沙工程的开展。因此,灌木林的定期平茬复壮和综合利用成了亟待解决的问题。
由于沙地作业环境的特殊性,仿形性能已成为制约沙地灌木林平茬机发展的主要因素(刘瑞林等,2012；刘金南等,2014)。我国大中型割灌机多为拖拉机牵引式,如刘志刚等(2010)设计的具有铰接式车体结构的自走式灌木平茬机,采用人工操纵与机具自适应相结合的纵横向仿形收割沙生灌木方法,整机可靠性系数为98.5％,生产率为3 t·h-1,柠条漏割损失率不大于0.8％,割茬破损率为2.9％,割茬高度小于等于7cm。该机借鉴工程机械原理(王瑞先等,2010),造价较高,且双锯盘切割方式难以适应散射状的灌木外形,不能完成一次性整丛切割任务。陈忠加等(2009)设计的5GZ-800型自行手扶式灌木平茬机对沙土表层植被无破坏作用,留茬高度在8cm以下,但效率相对较低,仅为 0.1 hm2·h-1。发达国家虽然有成熟的灌木收割联合设备,但主要适用于地面平整的人工能源灌木林,对崎岖的沙地环境适应性不够(裴克等,1980；王执煜等,2009)。因此,需要针对沙地灌木林生长现状研制出适应沙地地面作业环境、适合灌木林高效平茬复壮的新型设备。
本文在对内蒙古通辽地区科尔沁沙地灌木林进行实地调查并对平茬关键技术进行充分研究的基础上,自主研制了以橡胶履带为底盘的自行式沙地灌木林平茬机。橡胶履带底盘不仅提高了在沙地运行的通过性,而且降低了对沙地地面的破坏(刘小虎,2012)。倒V形刀架根据灌木根部积沙和散射状外形特点设计,刀具高度在柔性铰链和仿形支承轮共同作用下自动调整,达到了沙地地面仿形的目的。本研究旨在为三北防护林建设和木本资源产业化提供相应的技术支持,提高沙地灌木林平茬机的仿形性和通过性能,达到沙地灌木林萌生复壮的要求,以促进我国沙荒地植被恢复。
1 自行式沙地灌木林平茬机的研制 1.1 总体结构与工作原理自行式灌木林平茬机由液力驱动橡胶履带底盘和悬挂式割灌机组成(图 1)。液力驱动橡胶履带底盘以一台24 kW的柴油发动机为动力驱动液压泵站的2个液压齿轮泵产生液体压力,用于橡胶履带底盘行进和作业机具的驱动。割灌机通过3点挂接在液压橡胶履带底盘的前部,由具有升降功能的导轨架和割灌木工作头组成。割灌木工作头与导轨架中的导轨伸出杆铰接,通过液压油缸驱动割灌工作头可左右摆动；导轨在导轨架内上下移动,由安装在导轨架顶部的液压马达通过柔性连接提升,割灌木工作头及其导轨依靠重力下降,割灌工作头作业时可以随地面的起伏而浮动。
 |
图 1 履带自行式割灌机总体结构 Fig. 1 Overall structure of crawler-type self-propelled shrub cutter |
割灌工作头由5个圆锯片以中间高、两端底的方式安装在割灌木头的台架上,以适应灌木丛中心积沙的生长状态(牛西午,1998)；圆锯片的旋转通过额定转速为3 600 r·min-1的3个高速液压马达驱动,其切割线速度可达48.07 m·s-1,以保障留茬平整和不劈裂(李宁等,2009)。割灌木工作头台架延长杆与伸缩导轨为铰接,通过另一个液压油缸驱动在割灌木时实现摆动。割灌木工作头上的液压马达和油缸都通过液压油管连接到橡胶履带底盘液压泵站的液压控制阀上。图 2是自行式沙地灌木林平茬机液压动力传递路线,其中的二位二通换向阀用于接通泵1与泵2的油路,可以加快不割灌木作业时履带底盘的行进速度。
 |
图 2 沙地灌木林平茬机动力传递路线 Fig. 2 The power transfer line of desert shrub cutter |
1)切割刀具、驱动液压马达的确定从前期的科尔沁沙地灌木林平茬实地试验研究得到,用割灌机圆锯片(直径255 mm、厚2 mm)切割小叶锦鸡儿(柠条)(Caragana microphylla)时(锯切线速度为46.3～51.1 m·s-1),与镶合金钢刀头的圆锯片(直径300 mm、刀头厚3.2 mm)相比,具有最小的切削阻力和最小的留茬劈裂率,无烧焦现象,出现的少数劈裂现象对次年萌发无明显影响(王飞,2009)。因此选定割灌机圆锯片作为所要设计的灌木平茬机的切割刀具,则对驱动圆锯片液压马达的转速要求为：
| $\begin{align} & n=\frac{60v}{\pi \cdot d}=\frac{60\left(46.3\tilde{\ }51.5 \right)}{\pi \cdot 0.255}= \\ & \left(3467.7\tilde{\ }3857.2 \right)\operatorname{r}\cdot {{\min }^{-1}} \\ \end{align}$ |
由此,选用3 600 r·min-1的高速液压马达为圆锯片的驱动动力,切割线速度为：
| $v=\frac{\pi \cdot d\cdot n}{60}=\frac{\pi \times 0.255\times 3600}{60}=48.07\text{m }\!\!\times\!\!\text{ }{{\text{s}}^{-1}}$ |
每个刀盘部件空载功率分为启动功率和空运转功率,根据动力学原理,启动功率为：
| ${{P}_{\text{k}}}=\frac{T\omega }{1000}=\frac{J\varepsilon \omega }{1000}$ |
如果液压马达驱动刀盘1 s达到3 600 r·min-1,则启动功率为：
| $\begin{align} & {{P}_{\text{k}}}=\frac{T\omega }{1000}=\frac{J\varepsilon \omega }{1000}=\frac{J{{\omega }^{2}}}{1000}= \\ & \frac{0.016\times {{377}^{2}}}{1000}=2.27\text{kW} \\ \end{align}$ |
注：刀盘部件包括圆锯片、安装轴、圆锯片压紧盘、锯片压紧轴套、轴承压紧轴套、皮带轮和M30的螺母。
当刀盘部件匀速空运转时,主要是克服摩擦阻力所消耗的功率。刀盘部件通过刀盘轴安装在一个滚动半径为46 mm的6202深沟球轴承上。因此,单个刀盘部件空运转功率为：
| $\begin{align} & {{P}_{\text{k}}}=Fv=mg\mu v= \\ & 1.98\times 9.8\times 0.004\times 8.67=0.67\text{kW} \\ \end{align}$ |
每个锯盘切割灌木时消耗功率(卢里耶等,1983)为：
| ${{P}_{\text{q}}}=\frac{{{v}_{m}}A{{l}_{0}}}{102}=\frac{2\times 0.255\times 490}{102}=2.45\text{kW}$ |
总功率为P=Pk+Pq=3.12 kW,5个锯片同时进行切割作业时消耗功率为15.6 kW。据此选择液压马达型号为GM5-20-1E13S,以及V带传动形式。
2)切割装置 切割装置为5组切割器安装在倒V形的刀架上(图 3),中间与最外侧的切割器由转速为3 600 r·min-1的液压马达3驱动,另2个两侧的切割器由最外侧切割器上的皮带5驱动,3组切割器的驱动马达油路为串联连接,以保证所有切割器的切割圆锯片转速一致且不受切削阻力不同的影响。圆锯片1被夹紧装置通过其上部的圆螺母夹紧并安装在轴承座4上,轴承座安装在倒V形的台架上。倒V形的刀架与沙地灌木丛中间积沙高、四周低的形状相仿。
 |
图 3 切割装置 Fig. 3 Assemble of shrub cutting device 1.圆锯片Circular saw；2.夹紧装置Clamping device； 3.液压马达Hydraulic motor；4.轴承座Bearing pedestal；5.皮带传动Belt drive. |
在前期研制的手扶式灌木平茬机平茬试验中发现,仅依靠平茬机直线行进的方式切割灌木丛有漏割现象；而当操纵整机使切割装置左右摆动时,不但不发生漏割,而且割灌木的效果和效率也大幅度提高,其左右摆动的角度各为30°为宜。
设计的切割装置摆动机构主要由铰接轴和驱动液压油缸组成(图 4)。切割装置通过铰接轴与升降导轨的伸出杆连接,液压油缸的缸体端铰接在升降导轨伸出杆上,活塞杆端铰接在切割装置上。由于结构上的限制,将切割装置摆动中心与摆动油缸转动中心(液压油缸的缸体端铰接转动中心)的距离设计为116.5 mm,夹角为31°。根据设计的切割装置结构以及工程用液压油缸的最小尺寸和行程系列,选用缸径50 mm、活塞杆直径25 mm、行程130 mm、最小长度363 mm、最大长度493 mm的S50/25X130RR型液压油缸用于驱动切割装置摆动,并用作图法确定液压油缸活塞杆端铰接的位置(图 5),最终设计出的割灌木工作头左右各摆动33.95°(图 6)。
 |
图 4 割灌木工作头摆动机构 Fig. 4 Swing device of shrub cutting head 1.割灌木工作头Work head；2.铰接轴Articulated shaft；3.液压油缸Hydrocylinder. |
 |
图 5 作图法确定铰接点 Fig. 5 Joint point decision by chart |
 |
图 6 最终设计的割灌木工作头左右摆动角度 Fig. 6 The final designed swing angle |
摆动油缸存在2个极限位置,分别为O1A1和O1A2,2个位置传动角分别为γ1和γ2,有：
| $\begin{align} & \cos {{\gamma }_{1}}=\frac{{{493}^{2}}+{{445}^{2}}+{{116.5}^{2}}}{2\times 493\times 445}=0.974; \\ & \cos {{\gamma }_{2}}=\frac{{{363}^{2}}+{{445}^{2}}+{{116.5}^{2}}}{2\times 363\times 445}=0.979; \\ \end{align}$ |
求得传动角分别为γ1=13.1°,γ2=11.8°,即压力角分别为α1=76.9°,α2=78.2°。
液压系统油压范围为10～16 MPa,则2个极限位置液压缸活塞杆推力分别为：
F1=PA1=π(252－12.52)×10=14 726.22 N；
F2=PA2=π×252×10=19 634.95 N。
使割灌木工作头摆动的有效分力为：
F1t=F1cosα1=3 337.72 N；
F2t=F2cosα2=4 015.27 N。
则液压油缸对工作头产生的最小有效回转力矩为：
Mmin=F1tL=3 337.72×0.445=1 485.29 N·m。
可见,左极限位置处有效回转力矩最小,而该力矩远大于割灌木工作头由于切割和摩擦所产生的阻力矩,因此可以灵活转动。
1.2.3 仿形机构设计由于沙地地面起伏大,灌木林生长环境特殊,因此机具的仿形特性成为关键和难点(范利海等,2010)。考虑到灌木林自身的生长特点和沙地整体环境,本悬挂式沙地灌木林平茬机仿形机构除针对灌木丛根部半圆形沙包特点将刀架外形设计为夹角呈160°的倒V形外,还针对灌木林生长环境、地面起伏大的特点将切割装置的升降运动设计为随动和主动2种状态。仿形机构主要由高度升降导轨、升降绞盘、提升链和仿形支承轮等组成(图 7)。仿形支承轮安装在切割装置的两端,用以限定留茬高度；升降导轨2安装在悬挂架4内,通过提升链3悬吊在升降绞盘5上；升降绞盘5由液压马达驱动安装在悬挂架4的顶部。灌木平茬作业时,悬挂绞盘将提升链放松,升降导轨可随地面的起伏上下自由移动而实现切割装置随地面仿形。当提升链3通过液压马达驱动升降绞盘被张紧时,升降导轨及切割装置被提升,便于行走和运输。
 |
图 7 仿形机构 Fig. 7 Floating structure 1.切割装置Cutter device； 2.升降导轨Lifting guide； 3.提升链Elevator chain；4.悬挂架Suspention frame； 5.升降绞盘 Lifting winch. |
完成设计细节以后,试制的悬挂式灌木林平茬机技术参数见表 1。
|
灌木平茬机试验地点选择位于科尔沁沙地腹地的内蒙古通辽市奈曼旗兴隆沼林场的灌木林地,该地为干旱半干旱地区,年降水量350～650 mm,地表沙化严重,丘间平地开阔,形成了坨甸相间的地形组合(曹军等,2004)。该地区于20世纪60—70年代共营造小叶锦鸡儿灌木林26.67万hm2,林场拥有小叶锦鸡儿灌木林2 000 hm2,自然分布密度800～1 000丛·hm-2,单株平均积沙量0.5 m3,冠幅直径3.1 m,平均高度1.9 m,多分布在地表不平地面松软的丘间沙地(图 8)。
 |
图 8 灌木林地及平茬试验 Fig. 8 The shrub forest land and the machine test |
试验时间为早春(3月初)灌木林开始萌芽前,平茬作业时机器的前进速度为0.85 m·s-1(3.07 km·h-1),割灌圆锯片的转速为3 600 r·min-1。试验总面积为900 m2(宽10 m、长90 m),同时对平茬的灌木丛数、枝条量进行了测量,以10 m×10 m为一个测量区,共测量了9个区。机器对灌木平茬的方式是单丛切割,前进方向不定,割倒一丛后再对邻近的另一丛进行平茬作业(图 8)。对平茬后灌木枝条的称量以丛为单位,按划分的区域进行记录(表 2),并取样对灌木枝条的含水率进行检测。
|
|
1)灌木平茬机在试验区内的总作业时间为18 min,平茬的灌木丛数为73丛。以此为基础数据,可以得出该灌木平茬机在试验地的平茬作业效率为243丛·h-1。
2)通过对平茬后灌木丛留茬的目测(图 9),茬口平齐,劈裂率低于3％,平均高度50 mm。
 |
图 9 灌木平茬后的留茬 Fig. 9 The reserved shrub stumps |
3)平茬作业后的当年春季、秋季的跟踪调查显示,平茬后灌木丛的新萌发枝条数量是平茬前枝条数量的5～10倍,当年高度生长量超过1.2 m(图 10)。
 |
图 10 平茬后灌木丛当年萌发及高度生长状况 Fig. 10 The bud sprout and high grows after stumping in the same year |
4)通过记录的数据可以看出,该地区灌木丛的密度不均,平均密度为811丛·hm-2。
5)对平茬后每丛灌木枝条的称重显示,每丛的差异较大,试验区内单丛平茬灌木枝条的最大生物量为21.04 kg,是最小生物量(2.93 kg)的7.18倍。总质量为541.12 kg,平均每丛7.41 kg。
6)通过对样品采用烘干的方式得出灌木枝条萌芽前的含水率为34.71％,由此得出科尔沁沙地灌木丛的湿质量生物量为6 012.44 kg·hm-2,干质量生物量为3 763.22 kg·hm-2。
3 结论和建议 3.1 结论1)研制的履带自行式灌木林平茬机用于沙地灌木林平茬作业具有良好的适应性,仿形切割效果达到了平茬后的灌木丛留茬高度均匀、茬口平齐、劈裂率小于3％的要求。当年夏、秋季跟踪调研显示,灌木丛的萌芽数量是平茬前枝条数量的5～10倍,当年平均生长高度超过1.2 m,满足沙地灌木林平茬复壮的生物学要求。
2)通过履带自行式灌木林平茬机在科尔沁灌木林地的实地平茬试验,得到了当地灌木林实际分布密度为811丛·hm-2,湿质量、干质量生物量分别为6 012.44和3 763.22 kg·hm-2,为灌木林平茬复壮抚育后剩余物灌木枝条的资源化或能源化利用提供了基础数据。
3.2 建议平茬抚育是灌木林复壮的生物学要求,但长期以来由于没有适用的平茬机械设备,平茬抚育后的灌木枝条剩余物没有资源化利用,致使我国大面积灌木林得不到平茬抚育作业而造成一定面积的灌木林病虫害严重和枯萎。因此建议在研制的履带自行式灌木林平茬机样机基础上加大生产性和可靠性试验,将其完善成实用的机械产品用于灌木林平茬抚育。
| [1] |
曹军,吴绍洪,杨勤业.2004.科尔沁沙地的土地利用与沙漠化.中国沙漠,24(5):549-552. (Cao J, Wu S H, Yang Q Y.2004. Land use and desertification in Horqin sandy land. Journal of Desert Research, 24(5):549-552[in Chinese]).(  1)
|
| [2] |
陈忠加,俞国胜.2009.5GZ-800型自行手扶式灌木平茬机的设计与试验.湖南农业科学,(5):139-142. (Chen Z J, Yu G S.2009. Experimental study and design on 5GZ-800 type self-propelled walking brush cutter. Hunan Agricultural Sciences, (5):139-142.[in Chinese])( 1)
|
| [3] |
范利海,傅万四.2010.我国灌木收割平茬机械发展现状调查分析.木材加工机械,(6):30-32. (Fan L H, Fu W S.2010. Study investigation of development of bush harvesting machinery. Wood Processing Machinery (6):30-32[in Chinese]).( 2)
|
| [4] |
国家林业局森林资源管理司.2010.第七次全国森林资源清查及森林资源状况.林业资源管理,(1):1-8. (Department of Forest Resources Management,State Forestry Administration.2010.The seventh national forest resources inventory and the status of the forest resources. Forest Resources Management, (1):1-8[in Chinese]).( 1)
|
| [5] |
李宁,俞国胜.2009.灌木收割机理及装备研究.安徽农业科学, 37(4):1862-1864. (Li N, Yu G S.2009.Research on mechanism and equipment oflarge-scale shrub harvester. Journal of Anhui Agriculture Science, 37(4):1862-1864[in Chinese]).( 1)
|
| [6] |
刘金南,周宏平,张慧春,等.2014.沙生灌木机械化平茬现状及发展探讨.农机化研究,(9):248-251. (Liu J N, Zhou H P, Zhang H C, et al.2014. Present situation and development studying on mechanization cutting of desert shrubs. Journal of Agricultural Mechanization Research, (9):248-251[in Chinese]).( 1)
|
| [7] |
刘瑞林,徐克生,李时舫.2012.灌木平茬装备研究亟待突破.林业机械与木工设备, 40(7):14-19. (Liu R L, Xu K S, Li S F.2012. Study on shrub cutting equipment calls for breakthroughs. Forestry Machinery and Woodworking Equipment, 40(7):14-19[in Chinese]).( 1)
|
| [8] |
刘小虎.2012.小型自行式割灌机的研制及沙地通过性研究.北京: 北京林业大学硕士学位论文. (Liu X H.2012. Design of self-propelled walking bush cutter and research on its traffic ability in sand. Beijing: MS thesis of Beijing Forestry University[in Chinese]).( 1)
|
| [9] |
刘志刚,王德成,郝兴玉,等.2010.自走式灌木平茬机设计与试验.农业机械学报,41(S1):94-98. (Liu Z G, Wang D C, Hao X Y, et al.2010. Design and experiment on self-propelled shrub cutter. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 41(S1):94-98[in Chinese]).( 1)
|
| [10] |
卢里耶A B,罗姆勃切夫斯基A A.1983.农业机械的设计和计算.北京:中国农业出版社.(1)
|
| [11] | Lourie A B, Lumuboqie A A.1983. The design and calculation of agricultural machinery. Beijing: China Agriculture Press.[in Chinese]) |
| [12] |
马永康,张振国,边 胤.2007.柠条收割机切割器的设计与试验.农业机械学报,38(7):203. (Ma Y K, Zhang Z G, Bian Y.2007. Design and test of caragana korshinskii harvester cutter. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 38(7):203[in Chinese]).( 1)
|
| [13] |
牛西午.1998.柠条生物学特性研究.华北农学报,13(4):122-129. (Niu X W.1998. Biological characters of cultivars in caragana. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 13(4):122-129[in Chinese]).( 1)
|
| [14] |
裴克,廖显棕.1980.国外营林机械.北京: 中国林业出版社. (Pei K, Liao X Z.1980. Foreign forestry machinery. Beijing: China Forestry Publishing House.[in Chinese])( 1)
|
| [15] |
王飞.2009.沙生灌木圆锯片平茬锯切性能研究.北京: 北京林业大学硕士学位论文. (Wang F.2009. Cutting research for desert shrub regenerating harvesting with circular saw. Beijing: MS thesis of Beijing Forestry University[in Chinese]).( 1)
|
| [16] |
王瑞先,吴雅梅,张 宁,等.2010.我国沙生灌木林平茬收割机械研制应用现状浅述.2010国际农业工程大会论文集,(7):106-109. (Wang R X, Wu Y M, Zhang N, et al.2010. Application of desert shrub reaper of China. Proceedings of 2010 International Conference on Agricultural Engineering,(7):106-109.[in Chinese])( 1)
|
| [17] |
王执煜,齐永峰,李成进.2009.国外多功能清林割灌机设备的引进研究.第二届中国林业学术大会——S12 现代林业技术装备创新发展论文集. (Wang Z Y, Qi Y F, Li C J.2009.Research of foreign multi-function cleaning forest cutting machine equipment introduction. The Second China Forestry Science Conference: S12 Proceedings of Modern Forestry Technology and Equipment Innovation and Development[in Chinese]).( 1)
|